Malgré la connaissance limitée qu’on a du frasil, il est probablement le plus important acteur pour les cours d’eau en régions froides dans lesquels la glace se forme. Le frasil est aussi une menace réelle et importante pour les structures hydrauliques et donc, un problème pour les ingénieurs. Des mesures quantitatives du frasil sont vitales afin de mieux comprendre sa dynamique, mais très peu d’études ont porté sur le frasil dans son milieu naturel étant données toutes les difficultés techniques qui y sont associées. Celles-ci sont principalement liées à la grande difficulté de détecter le frasil en rivière. Les cristaux sont très sensibles, ils ne peuvent être maniés et ils évoluent et se transforment rapidement. Cette thèse s’adresse au grand besoin en données de terrain et aussi à améliorer la connaissance sur les interactions entre le frasil, l’hydraulique, l’atmosphère et les autres types de glaces rencontrés en rivière. De nombreuses campagnes d’instrumentation en terrain ont été entreprises et une méthodologie permettant la détection et la mesure du frasil en rivière a été développée. Il a été démontré que les profileurs acoustiques sont très efficaces pour ce faire. À partir de données récoltées durant trois hivers, la quantification du frasil est tentée par trois méthodologies différentes et indépendantes. La théorie de Rouse est appliquée aux profils verticaux de retours acoustiques afin d’estimer un diamètre dominant pour la population de particules de glace détectées. Les théories d’inversion de fréquences, appliquées à plus d’une fréquence à la fois, sont utilisées afin d’estimer les dimensions dominantes et des concentrations de frasil en suspension. Finalement, des approches théoriques et des modèles de transfert de chaleur sont utilisés pour prédire la formation et la croissance du frasil. Les résultats de ces modèles sont comparés avec les mesures. Cette thèse montre que les mesures acoustiques sont très prometteuses afin d’obtenir l’information de base sur le frasil qui n’était pas disponible jusqu’à maintenant. De telles données sont aussi très utiles afin de mieux comprendre comment le frasil est produit en rivière, comment il évolue et comment il interagit avec l’eau et l’atmosphère. / Despite knowing extremely little about it, frazil ice is the most important building block for ice infested waters from which, and upon which, most ice is subsequently formed. Frazil ice is a major engineering threat to river and marine infrastructure. Quantitative measurements of frazil ice are vital to clarifying its dynamics, but very few studies have assessed frazil ice in natural water bodies. This is mainly because detection of frazil ice in the field is very difficult. The ice is sensitive to handling and evolves and transforms rapidly. This thesis addresses the need for field data and also seeks to understand more about frazil ice interactions with hydraulics, the atmosphere and other ice types encountered in rivers. An efficient methodology to detect frazil ice in rivers was developed and tested through multiple field instrumentation campaigns. From field data that were obtained during three winters, quantification of frazil ice was attempted by different independent methodologies. The Rouse theory was applied to vertical acoustic backscatter measurements in order to estimate frazil ice particles’ dominant size. Multi-frequency inversion methods were used and applied to estimate both dominant size and concentration of suspended frazil ice. Theoretical approaches that use heat flux modelling were used to predict frazil ice growth rates. Those modelled values were compared with acoustic measurements. The thesis shows that acoustic measurements are very promising to get basic information about frazil that has not been available until now. Such data are also very useful to gain a better understanding of how frazil ice is produced, under which conditions it evolves and how it interacts with the water and the atmosphere.

II se forme du frasil dans près de 60 % des grands bassins de l'hémisphère nord, pour des périodes variant de quelques jours à plusieurs mois. Le frasil et les glaces qu'il produit, endommagent les infrastructures submergées, menacent la sécurité civile et modifient considérablement la morphologie des rivières. Les interrelations que partage la dynamique glacielle avec la géomorphologie fluviale et le transport des sédiments sont encore mal comprises, entre autres parce qu'elles s'insèrent dans un champ d'études dépourvu de cadre d'analyse. Ce mémoire s'intéresse à l'étude des liens entre la dynamique du frasil et la géomorphologie fluviale. II s'organise autour de deux chapitres-articles. Le premier article propose un modèle conceptuel d'intégration des dynamiques glacielle et fluviale. La « trinité » conceptuelle de Leeder s'impose comme cadre structurel, car elle illustre efficacement les interactions entre les composantes de la dynamique fluviale. Une « trinité » analogue a été développée pour la dynamique glacielle. Le modèle proposé contient six composantes dépendantes et leurs interrelations. Ce modèle est un premier outil d'analyse pour comprendre la complexité des dynamiques physiques sous-jacentes aux rivières froides. Le second article s'intéresse à la chronologie des ajustements morphologiques d'une fosse à frasil selon l'accumulation de frasil sous couvert de glace et le degré d'obstruction du chenal par cette accumulation. Les fosses à frasil présentent une morphologie « anormalement profonde » résultant d'interrelations non documentées entre la dynamique glacielle et la dynamique fluviale. La fosse à l'étude est située à 14.1 km de l'embouchure de la rivière Mitis, Bas-Saint-Laurent. Les objectifs spécifiques de l'étude sont de trois ordres: documenter les processus qui mènent à l'accumulation de frasil; cartographier l'évolution mensuelle du couvert de glace, de l'accumulation sous-glacielle de frasil et l'évolution du lit; documenter en continu la déformation du lit au cours de l'hiver. Les premières observations de frasil dans le système fluvial de la rivière Mitis sont associées à une température de l'eau de 0.8 °C, à un abaissement de la température atmosphérique et à d'importantes précipitations neigeuses. L'étude identifie une relation étroite entre la progression du couvert de glace et le gradient de pente du chenal. À l'échelle de la fosse-à-frasil, l'analyse des levés géophysiques et manuels dévoile une géométrie hydraulique sous-glacielle modelée par d'épaisses accumulations de frasil aux formes irrégulières qui occupent jusqu'à 70 % de la section transversale et atteignent une épaisseur de 6.25 mètres. Un système de bornes autonome munies d'accéléromètres, enregistrant la temporalité et la spatialité des déformations du lit, a été développé. L'utilisation de ces bornes sédimentaires dynamiques (DBR), révèle une relation claire entre la déformation du lit et la progression du couvert de glace sur la fosse-à-frasil. Dans les cours d'eau de taille moyenne, l'accumulation suspendue de frasil constitue une composante morphologique imposante qui dépasse le qualificatif de simple accumulation ponctuelle de glace.

La détermination de la concentration du frasil ainsi que ses caractéristiques géométriques est un défi majeur du point de vue technologique. Plusieurs instruments ont été utilisés par de nombreux chercheurs pour arriver à comprendre le comportement du frasil et à déterminer ses propriétés. Ce projet de recherche a pour but d’essayer de définir la concentration du frasil ainsi que ses caractéristiques géométriques à l’aide des instruments optiques. En premier lieu, la concentration du frasil dans un volume d’eau prédéfini a été évaluée à l’aide d’un transmissomètre dont la longueur d’onde est de 660 nm. Les résultats de ces expérimentations vont permettre de comprendre, en fonction des conditions entourant l’expérimentation, l’évolution de la concentration du frasil et son comportement vis-à-vis l’instrument optique et par la suite, de déterminer une relation entre la concentration du frasil et le taux d’atténuation de la transmission de la lumière du transmissomètre. En deuxième lieu, les propriétés géométriques du frasil souvent reportées à un disque d’un diamètre environ égal à dix (10) fois son épaisseuront été évaluées à l’aide d’un deuxième instrument optique qui utilise la technique de l’holographie numérique enligne nommée le LISST-HOLO. Cet instrument permet de capturer une image holographique des particules en suspension dans un volume d’eau de 1,86 cm³. Après la réalisation des expérimentations en laboratoire dans un environnement contrôlé avec l’utilisation des instruments optiques, on devrait comprendre et déterminer le comportement de ses instruments vis-à-vis la formation du frasil. Les résultats découlant permettent la calibration des instruments afin de procéder à leur déploiement dans un environnement naturel (rivière) pour étudier la formation du frasil. / La détermination de la concentration du frasil ainsi que ses caractéristiques géométriques est un défi majeur du point de vue technologique. Plusieurs instruments ont été utilisés par de nombreux chercheurs pour arriver à comprendre le comportement du frasil et à déterminer ses propriétés. Ce projet de recherche a pour but d’essayer de définir la concentration du frasil ainsi que ses caractéristiques géométriques à l’aide des instruments optiques. En premier lieu, la concentration du frasil dans un volume d’eau prédéfini a été évaluée à l’aide d’un transmissomètre dont la longueur d’onde est de 660 nm. Les résultats de ces expérimentations vont permettre de comprendre, en fonction des conditions entourant l’expérimentation, l’évolution de la concentration du frasil et son comportement vis-à-vis l’instrument optique et par la suite, de déterminer une relation entre la concentration du frasil et le taux d’atténuation de la transmission de la lumière du transmissomètre. En deuxième lieu, les propriétés géométriques du frasil souvent reportées à un disque d’un diamètre environ égal à dix (10) fois son épaisseuront été évaluées à l’aide d’un deuxième instrument optique qui utilise la technique de l’holographie numérique enligne nommée le LISST-HOLO. Cet instrument permet de capturer une image holographique des particules en suspension dans un volume d’eau de 1,86 cm³. Après la réalisation des expérimentations en laboratoire dans un environnement contrôlé avec l’utilisation des instruments optiques, on devrait comprendre et déterminer le comportement de ses instruments vis-à-vis la formation du frasil. Les résultats découlant permettent la calibration des instruments afin de procéder à leur déploiement dans un environnement naturel (rivière) pour étudier la formation du frasil. / The determination of the concentration of frazil ice and its geometric characteristics is a major challenge. Several instruments have been used by many researchers to understand the behavior of frazil ice and determine its properties. The purpose of this research project is to try to define frazil concentration and its geometric characteristics using optical instruments. Firstly, the concentration of frazil ice in a predefined volume of water was evaluated using a transmissometer. The results of these experiments will make it possible to understand, the evolution of frazil concentration and thebehavior of theoptical instrument. Then a relationship between the concentration frazil and the attenuation rate of transmissometer light transmission will be determined. Secondly, the geometrics properties of the frazil ice were evaluated with a second optical instrument that uses the technique of in-line digital holography (LISST-HOLO). This instrument captures a holographic image of suspended particles in a water volume of 1.86 cm³. Once laboratory experiments in a controlled environment with the use of optical instruments will be executed, we will understand the behavior of these instruments as for the formation of frazil ice. The results allow calibration of the instruments in orderto proceed with their deployment in a natural environment to study the formation of frazil ice in a river for example. / The determination of the concentration of frazil ice and its geometric characteristics is a major challenge. Several instruments have been used by many researchers to understand the behavior of frazil ice and determine its properties. The purpose of this research project is to try to define frazil concentration and its geometric characteristics using optical instruments. Firstly, the concentration of frazil ice in a predefined volume of water was evaluated using a transmissometer. The results of these experiments will make it possible to understand, the evolution of frazil concentration and thebehavior of theoptical instrument. Then a relationship between the concentration frazil and the attenuation rate of transmissometer light transmission will be determined. Secondly, the geometrics properties of the frazil ice were evaluated with a second optical instrument that uses the technique of in-line digital holography (LISST-HOLO). This instrument captures a holographic image of suspended particles in a water volume of 1.86 cm³. Once laboratory experiments in a controlled environment with the use of optical instruments will be executed, we will understand the behavior of these instruments as for the formation of frazil ice. The results allow calibration of the instruments in orderto proceed with their deployment in a natural environment to study the formation of frazil ice in a river for example.

Réunissant une série de trois articles scientifiques, ce mémoire offre une description et une quantification des processus dynamiques de glace dans les cours d’eau à forte pente. Menée sur trois cours d’eau du bassin versant de la rivière Montmorency (à proximité de Québec, QC, Canada), cette recherche démontre grâce à l’analyse par CAT scan que la glace de fond et les barrages de glace se développent principalement par croissance in-situ des cristaux de frasil-fixé. La porosité des structures de frasil-fixé varie entre 23% et 52% alors que celle de des structures de glace colonnaire, uniquement retrouvées dans les barrages de glace, varie entre 0% et 1,5%. De plus, les taux de croissance et de fonte des barrages de glace varient de façon importante autour d’une moyenne d’environ 1 cm/h. Le développement complet d’un barrage de glace a été simulé avec succès à l’aide d’un modèle physique comportant plusieurs degrés de liberté. / Uniting three scientific papers, this thesis offers a description and a quantification of dynamic ice processes taking place in steep channels. This research was led on three channels located in the Montmorency River watershed near Quebec City, Canada. CAT scan analyses showed that the development of anchor ice and ice dams is mainly caused by in-situ growth of fixed-frazil ice crystals. Porosity of fixed-frazil ice structures ranges between 23% and 52% while porosity of columnar ice structures, only found in ice dams, ranges from 0% to 1.5%. Moreover, ice dam growth and decay rates greatly vary around the mean value of about 1 cm/h. The complete development of a single ice dam was successfully simulated using a physical model that demonstrated the large number of degrees of freedom inherent in the process.

Ce mémoire offre une description des mesures d'affaiblissement préventif du couvert de glace qui ont été entreprises à Saint-Raymond de Portneuf, au Québec, au cours de cinq hivers consécutifs entre 2014 et 2019. La dynamique particulière de la rivière Sainte-Anne peut engendrer des accumulations massives de frasil au centre-ville de Saint-Raymond, pouvant mesurer plus de 4 mètres d'épaisseur par endroits et représenter plus de 120000 tonnes annuellement. Cela complique l'application et affecte l'efficacité de l'affaiblissement. L'objectif de ce projet est de déterminer les approches performantes et d'établir un protocole. Les rendements, selon la performance, la rentabilité et l'efficacité énergétique,des mesures d'atténuation mécaniques et thermiques ont été analysés selon le type de glace en présence .La progression des excavatrices amphibie (telles l'Amphibex et la pelle-araignée) est de deux à cinq fois plus lente dans une accumulation de frasil par rapport à un couvert flottant conventionnel. D'autres mesures, comme le forage d'un réseau de trous, le sciage du couvert, l'aéroglisseur et l'hélicoptère deviennent inefficaces en présence de frasil. Tout apport de chaleur est bénéfique une fois le couvert formé. Cependant, la forme de l'énergie injectée affecte la rentabilité de la mesure: contrairement à l'injection d'air chaud, l'injection de chaleur issue de la nappe phréatique est rentable et peut offrir un rendement appréciable si la charge calorifique est importante.Les différentes approches testées ont été comparées aux expériences réalisées sur d'autres rivières, afin de déterminer leurs limites d'application selon différents contextes de cours d'eau et de types glace. Sur un barrage de frasil ou un embâcle, la pelle-araignée munie d'un prototype de flotteurs offre la plus grande versatilité et une meilleure efficacité énergétique. Cette excavatrice a le potentiel d'excaver un chenal continu sur plus de six kilomètres de la rivière Sainte-Anne à Saint-Raymond en n'étant pas limitée par la présence de fosses, de hauts-fonds, d'un couvert consolidé ou flottant, d'une hauteur de dégagement contraignante sous les ponts ni de barrages. / This thesis describes preventive ice cover weakening measures that were undertaken in St.Raymond, QC, over five consecutive winters between 2014 and 2019. The specific dynamics of the St. Anne River can lead to massive accumulations of frazil in the downtown reach of St. Raymond, leading to an ice cover that can bemore than 4 metre-thick and formed by over 120,000 tons annually. This complicates the progression of the mitigation. The objective of this project is to identify the best ice weakening approaches and to establish a corresponding application protocol. The performance, cost-effectiveness and energy efficiency of mechanical and thermal mitigation measures were analyzed according to a variety of ice covers. The progression of amphibious excavators (such as Amphibex and spider excavator) is two to five times slower in thick frazil accumulations compared to that of a conventional floating ice cover. Other measures, such as drilling a network of holes, sawing the cover,or relying on a hovercraft or a helicopter to push and break the ice cover, become ineffective in the presence of frazil dam. Any heat input is beneficial once the cover is formed. However, the mean of energy injection affects the measure cost-efficiency: unlike hot air injection, ground water heat injection is cost-effective and can offer significant benefit if the heat load is high. Several different ice-weakening approaches were tested and compared, including experiments from other rivers,to determine their limits of application for different rivers and ice covers. On a frazil dam or ice jam, the spider excavator equipped with prototype floats offers the greatest versatility and energy efficiency. This excavator has the potential to dig a continuous open channel over more than six kilometre-long in the St. Anne River at St. Raymond without being limited by the presence of pools, shallows, consolidated or floating cover, a constraining clearance height under bridges,or dams